AT526143B1 - Flow measuring device and use thereof in a fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strömungsmessvorrichtung (100) zur zeitabhängigen Messung lokaler Konzentrationen von spezifischen Fluiden in Fluidgemischen gegenüber Referenzfluiden, aufweisend: wenigstens einen Referenz-Strömungskanal (10), der ein Referenzfluide (R) führt, einen Mess-Strömungskanal (20), der ein Fluidgemisch (M) führt; und wenigstens zwei in Strömungsrichtung beabstandete Sensoreinheiten (31, 32) zur Erfassung einer Konzentration eines spezifischen Fluids in dem Fluidgemisch (M), die zwischen dem Referenz-Strömungskanal (10) und dem Mess-Strömungskanal (20) angeordnet sind; Messeinheiten (41, 42) zur Messung eines Ausgabewertes (X1, X2), der von den Sensoreinheiten (31, 32) entsprechend der erfassten Konzentration ausgegebenen wird; sowie eine Zeitauswertungseinheit zur Auswertung von Zeitabständen (Δt), die Korrelationen zwischen einem jeweiligen Verlauf der Ausgabewerte (X1, X2) aus den Sensoreinheiten (31, 32) überwacht und einen Zeitabstand (Δt) von Korrelationen erfasst, deren Verlauf zuerst an einer und danach an einer anderen von der ersten Sensoreinheit (31) und der wenigstens zweiten Sensoreinheit (32) auftritt.The present invention relates to a flow measuring device (100) for time-dependent measurement of local concentrations of specific fluids in fluid mixtures compared to reference fluids, comprising: at least one reference flow channel (10), which carries a reference fluid (R), a measuring flow channel (20), which a fluid mixture (M); and at least two sensor units (31, 32) spaced apart in the flow direction for detecting a concentration of a specific fluid in the fluid mixture (M), which are arranged between the reference flow channel (10) and the measurement flow channel (20); Measuring units (41, 42) for measuring an output value (X1, X2) which is output by the sensor units (31, 32) in accordance with the detected concentration; and a time evaluation unit for evaluating time intervals (Δt), which monitors correlations between a respective course of the output values (X1, occurs at another one of the first sensor unit (31) and the at least second sensor unit (32).
Description
STRÖMUNGSMESSVORRICHTUNG UND VERWENDUNG DERSELBEN IN EINEM BRENNSTOFFZELLENSYSTEM FLOW MEASUREMENT DEVICE AND USE THEREOF IN A FUEL CELL SYSTEM
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strömungsmessvorrichtung zur zeitabhängigen Messung lokaler Konzentrationen von spezifischen Fluiden in Fluidgemischen gegenüber Referenzfluiden, beispielsweise zur Messung von Strömungseigenschaften, wie Geschwindigkeiten von Fluidgemischen in Brennstoffzellensystemen. The present invention relates to a flow measuring device for time-dependent measurement of local concentrations of specific fluids in fluid mixtures compared to reference fluids, for example for measuring flow properties such as velocities of fluid mixtures in fuel cell systems.
[0002] Zur Verbesserung der Steuerung und Regelung werden in Gasströmen bzw. feuchtigkeitshaltigen Fluidströmen von Brennstoffzellen Messungen von Strömungseigenschaften wie insbesondere einer Strömungsgeschwindigkeit bzw. einem Massestrom durchgeführt, um einen Durchsatz an Reaktionsgasen im Zusammenhang mit einer abgegebenen Leistung der Brennstoffzellen zu überwachen. Hierzu sind verschiedene Strömungssensortypen, insbesondere solche mit bewegten Teilen bekannt, aber auch berührungslose Sensoren unter Verwendung von Ultraschall oder ähnliches. To improve the control and regulation, measurements of flow properties, such as in particular a flow velocity or a mass flow, are carried out in gas streams or moisture-containing fluid streams of fuel cells in order to monitor a throughput of reaction gases in connection with an output power of the fuel cells. Various types of flow sensors are known for this purpose, in particular those with moving parts, but also non-contact sensors using ultrasound or similar.
[0003] Problematisch an den meisten Messtechniken ist eine genaue Erfassung von Strömungseigenschaften unter stark veränderlichen Zuständen wie Druckschwankungen, die insbesondere durch eine Pulsation eines Injektors für Brennstoffgas im Brennstoffzellensystem auftreten. Solche Pulsationen werden in verschiedenen Abschnitten eines Brennstoffzellensystems unterschiedlich absorbiert, reflektiert oder weitergeleitet, weshalb bereits eine Strömungsgeschwindigkeitsmessung vor und nach einem Brennstoffzellenstapel mit herkömmlichen Sensortypen eine messtechnische Herausforderung darstellen kann. Diese Herausforderung wächst mit zunehmender Komplexität der Messziele, wie etwa einer Untersuchung des Strömungsverhaltens eines Fluidgemisches in einem Strömungsquerschnitt oder einer Verteilung desselben über Streckenabschnitte in einem Systemkreislauf. The problem with most measurement techniques is the precise detection of flow properties under highly variable conditions such as pressure fluctuations, which occur in particular due to a pulsation of an injector for fuel gas in the fuel cell system. Such pulsations are absorbed, reflected or transmitted differently in different sections of a fuel cell system, which is why even measuring the flow velocity before and after a fuel cell stack with conventional sensor types can represent a metrological challenge. This challenge grows with increasing complexity of the measurement goals, such as an investigation of the flow behavior of a fluid mixture in a flow cross section or its distribution over sections of a system circuit.
[0004] Für andere Messziele wie eine Konzentrationsmessung ist ferner eine Sensorvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem aus dem Patent AT523373B1 bekannt, das auf dieselbe Anmelderin der vorliegenden Patentanmeldung zurückgeht. Aufbauend auf diesem Sensortyp, der einen konzentrationsabhängigen Partialdruck an einer Membran erfasst, bestehen weitere Anwendungsmöglichkeiten, die einem Bedarf an verbesserten Messtechniken für verschiedene Messanforderungen eines Brennstoffzellensystems begegnen. For other measurement objectives such as concentration measurement, a sensor device for a fuel cell system is also known from patent AT523373B1, which goes back to the same applicant of the present patent application. Building on this type of sensor, which detects a concentration-dependent partial pressure on a membrane, there are further possible applications that meet the need for improved measurement techniques for various measurement requirements of a fuel cell system.
[0005] Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Strömungsmessvorrichtung zu schaffen, die eine alternative, insbesondere verbesserte Messtechnik zur Messung eines Strömungsverhaltens von Fluidgemischen mit variablen lokalen Stoffkonzentrationen ermöglicht. It is an object of the present invention to create a flow measuring device which enables an alternative, in particular improved, measuring technique for measuring a flow behavior of fluid mixtures with variable local substance concentrations.
[0006] Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Strömungsmessvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. The above object is achieved by a flow measuring device with the features of claim 1. Further features and details of the invention emerge from the subclaims, the description and the drawings.
[0007] Die Strömungsmessvorrichtung weist zur zeitabhängigen Messung lokaler Konzentrationen von spezifischen Fluiden in Fluidgemischen gegenüber Referenzfluiden folgende Merkmale auf: wenigstens einen Referenz-Strömungskanal, der ein Referenzfluid führt; einen Mess-Strömungskanal, der ein Fluidgemisch führt; eine erste Sensoreinheit zur Erfassung einer Konzentration eines spezifischen Fluids in dem Fluidgemisch, die zwischen dem wenigstens einen Referenz-Strömungskanal und dem Mess-Strömungskanal angeordnet ist und mit dem Referenzfluid und dem Fluidgemisch in Kontakt steht; und eine erste Messeinheit zur Messung eines Ausgabewertes, der von der ersten Sensoreinheit entsprechend der erfassten Konzentration ausgegebenen wird. Erfindungsgemäß weist ferner die Strömungsmessvorrichtung insbesondere wenigstens eine zweite Sensoreinheit zur Erfassung einer Konzentration desselben spezifischen Fluids in demselben Fluidgemisch, die strömungsabwärts von der ersten Sensoreinheit beabstandet in dem Mess-Strömungskanal, zwischen dem Referenz-Strömungskanal und dem Mess-Strömungskanal, angeordnet ist und mit dem Referenzfluid und dem Fluidgemisch in Kontakt steht; wenigstens eine zweite Messeinheit zur Messung eines Ausgabewertes, der von der zweiten [0007] The flow measuring device has the following features for time-dependent measurement of local concentrations of specific fluids in fluid mixtures compared to reference fluids: at least one reference flow channel which carries a reference fluid; a measurement flow channel that carries a fluid mixture; a first sensor unit for detecting a concentration of a specific fluid in the fluid mixture, which is arranged between the at least one reference flow channel and the measurement flow channel and is in contact with the reference fluid and the fluid mixture; and a first measuring unit for measuring an output value output by the first sensor unit according to the detected concentration. According to the invention, the flow measuring device further has in particular at least one second sensor unit for detecting a concentration of the same specific fluid in the same fluid mixture, which is arranged downstream of the first sensor unit at a distance in the measuring flow channel, between the reference flow channel and the measuring flow channel, and with which reference fluid and the fluid mixture is in contact; at least one second measuring unit for measuring an output value from the second
Sensoreinheit entsprechend der erfassten Konzentration ausgegebenen wird; und eine Zeitauswertungseinheit zur Auswertung von Zeitabständen, die Korrelationen zwischen einem jeweiligen Verlauf der Ausgabewerte aus den Sensoreinheiten überwacht und einen Zeitabstand von Korrelationen erfasst, deren Verlauf zuerst an einer und danach an einer anderen von der ersten Sensoreinheit und der wenigstens zweiten Sensoreinheit auftritt. Sensor unit is output according to the detected concentration; and a time evaluation unit for evaluating time intervals, which monitors correlations between a respective course of the output values from the sensor units and detects a time interval of correlations whose course occurs first on one and then on another of the first sensor unit and the at least second sensor unit.
[0008] Somit sieht die Erfindung erstmals eine Strömungsmessung basierend auf Konzentrationsmessungen und einer zeitbezogenen Auswertung der erfassten Konzentrationsänderungen vor. The invention therefore provides for the first time a flow measurement based on concentration measurements and a time-related evaluation of the recorded concentration changes.
[0009] Da die erfindungsgemäße Strömungsmessvorrichtung auf Konzentrationsmessungen basiert, können Vorteile erzielt werden, die durch Sensoren mit bewegten Teilen oder anderen Strömungssensoren nicht darstellbar sind, wie nachfolgend erläutert. Since the flow measuring device according to the invention is based on concentration measurements, advantages can be achieved that cannot be achieved by sensors with moving parts or other flow sensors, as explained below.
[0010] Basierend auf einem Zeitvergleich zwischen charakteristischen Änderungen wie z.B. Wendepunkte in korrelierenden Verläufen der lokalen Konzentrationsmessungen lassen sich Bewegungen von Inhomogenitäten in einer Strömung eines Gas- oder Fluidgemisches orten und nachvollziehen. So kann nicht nur eine Strömungsgeschwindigkeit durch einen Strömungsquerschnitt gemessen werden, sondern unter Bereitstellung einer entsprechenden Sensorpositionierung auch ein Ausbreitungsverhalten des Fluidgemisches in Bezug zu deinem Durchmesser des Strömungsquerschnitts. Based on a time comparison between characteristic changes such as turning points in correlating courses of the local concentration measurements, movements of inhomogeneities in a flow of a gas or fluid mixture can be located and understood. Not only can a flow velocity be measured through a flow cross-section, but also a propagation behavior of the fluid mixture in relation to the diameter of the flow cross-section by providing appropriate sensor positioning.
[0011] Bei komplexeren Auswertungen der Messdaten bietet die erfindungsgemäße Strömungsmessvorrichtung sogar eine Erfassungsgrundlage um eine Unterscheidung von Durchmischungszuständen zu treffen oder um eine Messung in Bezug auf eine lokale Strömungsdynamik eines Gasgemisch durchzuführen. In idealisierten Messaufbauten lässt sich durch die erfindungsgemäße Strömungsmessvorrichtung auch die Reynoldszahl für laminare oder turbulente Strömung bestimmen. In the case of more complex evaluations of the measurement data, the flow measuring device according to the invention even offers a basis for detection in order to differentiate between mixing states or to carry out a measurement in relation to a local flow dynamics of a gas mixture. In idealized measurement setups, the Reynolds number for laminar or turbulent flow can also be determined using the flow measuring device according to the invention.
[0012] In Bezug auf die Anwendung der erfindungsgemäßen Strömungsmessvorrichtung an einem Brennstoffzellensystem bietet eine durch diese Messtechnik verbesserte Kenntnis der Fluiddynamik unter Betriebsbedingungen in dem Brennstoffzellensystem die Möglichkeit einer Optimierung des Strömungsdesigns und der Steuerung und Regelung, insbesondere bezüglich einer effizienten Dosierung des Brennstoffgases, oder einer Spülfunktion und eines darauffolgenden Betriebs. With regard to the application of the flow measuring device according to the invention on a fuel cell system, an improved knowledge of the fluid dynamics under operating conditions in the fuel cell system offered by this measurement technique offers the possibility of optimizing the flow design and the control and regulation, in particular with regard to efficient metering of the fuel gas, or a Rinse function and subsequent operation.
[0013] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung können die erste und die zweite Sensoreinheit eine elektrochemische Konzentrationszelle zur Erfassung eines Partialdrucks des spezifischen Fluids in dem Fluidgemisch umfassen, aufweisend eine gasdichte, für Protonen permeable Membran und jeweils einen Elektrodenabschnitt zu beiden Seiten der Membran, wobei ein Elektrodenabschnitt zu dem Fluidgemisch freiliegend angeordnet ist, und der andere Elektrodenabschnitt zu dem Referenzfluide freiliegend angeordnet ist. Dadurch wird ein bevorzugter Sensortyp in der Strömungsmessvorrichtung eingesetzt. According to an advantageous aspect of the invention, the first and second sensor units can comprise an electrochemical concentration cell for detecting a partial pressure of the specific fluid in the fluid mixture, having a gas-tight, proton-permeable membrane and an electrode section on both sides of the membrane, wherein one electrode section is arranged exposed to the fluid mixture, and the other electrode section is arranged exposed to the reference fluids. This means that a preferred sensor type is used in the flow measuring device.
[0014] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung können die erste und die zweite Messeinheit eine elektrische Spannung messen, die unter dem Partialdruck zwischen einer niedrigeren Konzentration des spezifischen Fluids in dem Fluidgemisch und einer höheren Konzentration desselben spezifischen Fluids in dem zugeordneten Referenzfluid zwischen den Elektrodenabschnitten entsteht. Dadurch wird eine etablierte Signalwandlung und Verarbeitung in der Strömungsmessvorrichtung ermöglicht. According to an advantageous aspect of the invention, the first and second measuring units can measure an electrical voltage that arises between the electrode sections under the partial pressure between a lower concentration of the specific fluid in the fluid mixture and a higher concentration of the same specific fluid in the associated reference fluid . This enables established signal conversion and processing in the flow measuring device.
[0015] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann die Strömungsmessvorrichtung ferner eine dritte Sensoreinheit zur Erfassung einer Konzentration desselben spezifischen Fluids in dem Fluidgemisch; eine vierte Sensoreinheit zur Erfassung einer Konzentration desselben spezifischen Fluids in dem vierten Fluidgemisch, die strömungsabwärts von der dritten Sensoreinheit beabstandet in dem Mess-Strömungskanals angeordnet ist; eine dritte Messeinheit zur Messung eines Ausgabewertes, der von der dritten Sensoreinheit entsprechend der erfassten Konzentration ausgegebenen wird; und eine vierte Messeinheit zur Messung eines Ausgabewertes, der von der vierten Sensoreinheit entsprechend der erfassten Konzentration ausgegebenen wird; wobei According to an advantageous aspect of the invention, the flow measuring device can further include a third sensor unit for detecting a concentration of the same specific fluid in the fluid mixture; a fourth sensor unit for detecting a concentration of the same specific fluid in the fourth fluid mixture, which is arranged downstream of the third sensor unit in the measuring flow channel; a third measuring unit for measuring an output value output from the third sensor unit corresponding to the detected concentration; and a fourth measuring unit for measuring an output value output from the fourth sensor unit according to the detected concentration; where
die dritte Sensoreinheit und die vierte Sensoreinheit in Bezug zu einem Durchmesser des Strömungsquerschnitts des Mess-Strömungskanals an einer unterschiedlichen Position, insbesondere an einer zentraleren oder weniger zentralen Position, als derjenigen der ersten Sensoreinheit und/oder der zweiten Sensoreinheit angeordnet sind. Dadurch steigt die Auflösung an auswertbaren Messdaten, insbesondere in einer weiteren räumlichen Dimension quer zur Strömung. the third sensor unit and the fourth sensor unit are arranged at a different position, in particular at a more central or less central position, than that of the first sensor unit and / or the second sensor unit in relation to a diameter of the flow cross section of the measuring flow channel. This increases the resolution of evaluable measurement data, especially in a further spatial dimension transverse to the flow.
[0016] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann die Zeitauswertungseinheit Korrelationen zwischen einem jeweiligen Verlauf der Ausgabewerte aus den Sensoreinheiten überwachen und einen Zeitabstand von Korrelationen erfassen, deren Verlauf zuerst an der ersten oder dritten Sensoreinheit und danach an der zweiten oder vierten Sensoreinheit, und/oder zuerst an der dritten oder vierten Sensoreinheit und danach an der ersten oder zweiten Sensoreinheit auftritt. Hierdurch werden Rückschlüsse auf das Strömungsverhalten in unterschiedlichen Richtungen möglich. According to an advantageous aspect of the invention, the time evaluation unit can monitor correlations between a respective course of the output values from the sensor units and detect a time interval of correlations whose course is first at the first or third sensor unit and then at the second or fourth sensor unit, and / or occurs first on the third or fourth sensor unit and then on the first or second sensor unit. This makes it possible to draw conclusions about the flow behavior in different directions.
[0017] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung können mehrere Referenz-Strömungskanäle, die das Referenzfluid führen, in der Strömungsmessvorrichtung angeordnet sein. According to an advantageous aspect of the invention, several reference flow channels, which carry the reference fluid, can be arranged in the flow measuring device.
[0018] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung können an wenigstens einem ReferenzStrömungskanal mehrere, insbesondere mehr als zwei, in Strömungsrichtung des Mess-Strömungskanals beabstandete Sensoreinheiten angeordnet sein. According to an advantageous aspect of the invention, several, in particular more than two, sensor units spaced apart in the flow direction of the measuring flow channel can be arranged on at least one reference flow channel.
[0019] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung können an wenigstens einem ReferenzStrömungskanal mehrere, insbesondere mehr als zwei Sensoreinheiten, die sich in der jeweiligen Position in Bezug zu dem Durchmesser des Strömungsquerschnitts des Mess-Strömungskanals unterscheiden, vorzugsweise verstellbar, angeordnet sein. According to an advantageous aspect of the invention, several, in particular more than two, sensor units, which differ in the respective position in relation to the diameter of the flow cross section of the measuring flow channel, preferably adjustable, can be arranged on at least one reference flow channel.
[0020] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung können wenigstens ein Referenz-Strömungskanal und/oder die in Kontakt mit diesem angeordneten Sensoreinheiten in einem Winkel zu der Strömungsrichtung des Mess-Strömungskanals geneigt, vorzugsweise verstellbar, angeordnet sein. According to an advantageous aspect of the invention, at least one reference flow channel and/or the sensor units arranged in contact therewith can be arranged inclined, preferably adjustable, at an angle to the flow direction of the measuring flow channel.
[0021] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann wenigstens ein Referenz-Strömungskanal ringförmig innerhalb des Strömungsquerschnitts des Mess-Strömungskanals ausgebildet sein. Dieses Strömungsdesign hat einen geringeren Strömungswiderstand. According to an advantageous aspect of the invention, at least one reference flow channel can be designed in a ring shape within the flow cross section of the measuring flow channel. This flow design has lower flow resistance.
[0022] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann der Mess-Strömungskanal als ein Zirkulationskanal ausgebildet sein, in dem das Fluidgemisch zirkuliert, wobei der ersten Sensoreinheit und der zweiten Sensoreinheit und/oder der dritten Sensoreinheit und der vierten Sensoreinheit definiert beabstandete Positionen entlang einer Zirkulationsstrecke innerhalb des Zirkulationskanals zugeordnet sind. Auf diese Weise können bestimmte lokale Bereiche eines Systems mit Kreisläufen gemessen und überwacht werden. [0022] According to an advantageous aspect of the invention, the measuring flow channel can be designed as a circulation channel in which the fluid mixture circulates, with the first sensor unit and the second sensor unit and/or the third sensor unit and the fourth sensor unit having defined spaced positions along a circulation path are assigned within the circulation channel. In this way, specific local areas of a system with circuits can be measured and monitored.
[0023] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann der Mess-Strömungskanal zumindest als ein Abschnitt eines Anodenkreislaufs der Brennstoffzellenvorrichtung ausgebildet sein, wobei das Fluidgemisch ein Anodenabgas und ein zuführbares Brennstoffgas enthält; und die Sensoreinheiten können anhand einer Konzentration von Wasserstoff als das spezifische Fluid inhomogene Zustände des Fluidgemischs entlang der Zirkulationsstrecke durch den Mess-Strömungskanals erfassen. Dadurch werden die Vorteile der Erfindung auf das Anwendungsgebiet der Brennstoffzellentechnik und insbesondere deren Regelung der Wasserstoffzuführung übertragen. According to an advantageous aspect of the invention, the measuring flow channel can be designed at least as a section of an anode circuit of the fuel cell device, wherein the fluid mixture contains an anode exhaust gas and a feedable fuel gas; and the sensor units can detect inhomogeneous states of the fluid mixture along the circulation path through the measuring flow channel based on a concentration of hydrogen as the specific fluid. As a result, the advantages of the invention are transferred to the field of application of fuel cell technology and in particular to its regulation of the hydrogen supply.
[0024] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann die Strömungsmessvorrichtung an einem Brennstoffzellensystem verwendet werden, zur Messung einer Strömungsgeschwindigkeit in einem Anodenkreislauf der Brennstoffzellenvorrichtung basierend auf der Messung lokaler Konzentrationen von Wasserstoff als das spezifische Fluid in einem Anodenabgas und einem zuführbaren Brennstoffgas, die als ein gemeinsames Fluidgemisch in dem Anodenkreislauf zirkulieren; wobei mittels der ersten Sensoreinheit eine lokale Konzentration von Wasserstoff in dem Fluidgemisch innerhalb des Mess-Strömungskanals, der als ein Abschnitt des Anodenkreislaufs ausgebildet ist, gegenüber dem Brennstoffgas als das Referenzfluid in dem Referenz-Strömungs-According to an advantageous aspect of the invention, the flow measuring device can be used on a fuel cell system for measuring a flow rate in an anode circuit of the fuel cell device based on the measurement of local concentrations of hydrogen as the specific fluid in an anode exhaust gas and a feedable fuel gas, which as a circulate common fluid mixture in the anode circuit; wherein by means of the first sensor unit a local concentration of hydrogen in the fluid mixture within the measuring flow channel, which is designed as a section of the anode circuit, compared to the fuel gas as the reference fluid in the reference flow
kanal gemessen wird; und mittels der zweiten Sensoreinheit eine lokale Konzentration von Wasserstoff in dem Fluidgemisch innerhalb des Mess-Strömungskanals strömungsabwärts von der ersten Sensoreinheit gegenüber dem Brennstoffgas als das Referenzfluid in dem Referenz-Strömungskanal gemessen wird; wobei die Zeitauswertungseinheit, die Korrelationen zwischen einem jeweiligen Verlauf der Ausgabewerte aus den Sensoreinheiten überwacht und einen Zeitabstand von Korrelationen erfasst, und die Strömungsgeschwindigkeit des Fluidgemischs basierend auf dem erfassten Zeitabstand (At/S) der Korrelationen in Bezug zu einem Abstand der Sensoreinheiten entlang einer Zirkulationsstrecke (S) bestimmt. channel is measured; and by means of the second sensor unit, a local concentration of hydrogen in the fluid mixture within the measurement flow channel is measured downstream of the first sensor unit relative to the fuel gas as the reference fluid in the reference flow channel; wherein the time evaluation unit monitors the correlations between a respective course of the output values from the sensor units and detects a time interval of correlations, and the flow velocity of the fluid mixture based on the recorded time interval (At/S) of the correlations in relation to a distance of the sensor units along a circulation route (S) determined.
[0025] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann die Strömungsmessvorrichtung an einer Brennstoffzellenvorrichtung verwendet werden, zur Messung einer Geschwindigkeitsverteilung des Fluidgemischs in Bezug zu einem Strömungsquerschnitt in einem Anodenkreislauf der Brennstoffzellenvorrichtung basierend auf der Messung lokaler Konzentrationen von Wasserstoff als das spezifische Fluid in einem Anodenabgas und einem zuführbaren Brennstoffgas, die als ein gemeinsames Fluidgemisch in dem Anodenkreislauf zirkulieren; wobei mittels der ersten Sensoreinheit und/ oder der zweiten Sensoreinheit eine lokale Konzentration von Wasserstoff in dem Fluidgemisch innerhalb des Mess-Strömungskanals, der als ein Abschnitt des Anodenkreislaufs ausgebildet ist, gegenüber dem Brennstoffgas als das Referenzfluid in dem Referenz-Strömungskanal gemessen wird; und mittels der dritten Sensoreinheit und/ oder der vierten Sensoreinheit eine lokale Konzentration von Wasserstoff in dem Fluidgemisch in Bezug zu dem Durchmesser des Strömungsquerschnitts des Anodenkreislaufs an einer unterschiedlichen Position als derjenigen der ersten Sensoreinheit und/oder der zweiten Sensoreinheit gemessen wird; wobei die Zeitauswertungseinheit, die Korrelationen zwischen einem jeweiligen Verlauf der Ausgabewerte aus den Sensoreinheiten überwacht und einen Zeitabstand von Korrelationen erfasst, und die Geschwindigkeitsverteilung des Fluidgemischs basierend auf dem erfassten Zeitabstand der Korrelationen zwischen der ersten Sensoreinheit und der dritten Sensoreinheit und/oder der zweiten Sensoreinheit und der vierten Sensoreinheit in Bezug zu einem Abstand der jeweiligen Sensoreinheiten entlang eines Durchmessers des Strömungsquerschnitts bestimmt. According to an advantageous aspect of the invention, the flow measuring device on a fuel cell device can be used to measure a velocity distribution of the fluid mixture in relation to a flow cross section in an anode circuit of the fuel cell device based on the measurement of local concentrations of hydrogen as the specific fluid in an anode exhaust gas and a feedable fuel gas circulating as a common fluid mixture in the anode circuit; wherein by means of the first sensor unit and/or the second sensor unit a local concentration of hydrogen in the fluid mixture within the measuring flow channel, which is designed as a section of the anode circuit, is measured relative to the fuel gas as the reference fluid in the reference flow channel; and by means of the third sensor unit and/or the fourth sensor unit, a local concentration of hydrogen in the fluid mixture is measured in relation to the diameter of the flow cross section of the anode circuit at a different position than that of the first sensor unit and/or the second sensor unit; wherein the time evaluation unit monitors the correlations between a respective course of the output values from the sensor units and detects a time interval of correlations, and the speed distribution of the fluid mixture based on the recorded time interval of the correlations between the first sensor unit and the third sensor unit and / or the second sensor unit and the fourth sensor unit is determined in relation to a distance of the respective sensor units along a diameter of the flow cross section.
[0026] Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann die Strömungsmessvorrichtung an einer Brennstoffzellenvorrichtung verwendet werden, zur Messung einer Durchmischung des Fluidgemischs (M) basierend auf der Messung lokaler Konzentrationen von Stickstoff als das spezifische Fluid, insbesondere nach einem Stickstoff-Spülvorgang in einem Anodenkreislauf der Brennstoffzellenvorrichtung, in dem ein Anodenabgas und ein zuführbares Brennstoffgas als gemeinsames Fluidgemisch zirkulieren; wobei mittels der ersten Sensoreinheit und der dritten Sensoreinheit eine lokale Konzentration von Stickstoff in dem Fluidgemisch innerhalb des Mess-Strömungskanals, der als ein Abschnitt des Anodenkreislaufs ausgebildet ist, gegenüber dem Brennstoffgas als das Referenzfluid in dem Referenz-Strömungskanal gemessen wird; und mittels der zweiten Sensoreinheit und der vierten Sensoreinheit eine lokale Konzentration von Stickstoff in dem Fluidgemisch strömungsabwärts und in Bezug zu dem Durchmesser des Strömungsquerschnitts des Anodenkreislaufs an einer unterschiedlichen Position als derjenigen der ersten Sensoreinheit und/oder der dritten Sensoreinheit gemessen wird; wobei die Zeitauswertungseinheit, die Korrelationen zwischen einem jeweiligen Verlauf der Ausgabewerte aus den Sensoreinheiten überwacht und einen Zeitabstand von Korrelationen erfasst, und die Durchmischung des Stickstoffs in dem Fluidgemisch basierend auf erfassten Zeitabständen der Korrelationen zwischen der ersten Sensoreinheit (31) und der dritten Sensoreinheit sowie zwischen der zweiten Sensoreinheit und der vierten Sensoreinheit in Bezug zu einem Abstand der jeweiligen Sensoreinheiten entlang eines Durchmessers des Strömungsquerschnitts, als auch auf erfassten Zeitabständen der Korrelationen zwischen der ersten Sensoreinheit und der zweiten Sensoreinheit sowie zwischen der dritten Sensoreinheit und der vierten Sensoreinheit in Bezug zu einem Abstand der jeweiligen Sensoreinheiten entlang einer Zirkulationsstrecke bestimmt. According to an advantageous aspect of the invention, the flow measuring device can be used on a fuel cell device to measure a mixing of the fluid mixture (M) based on the measurement of local concentrations of nitrogen as the specific fluid, in particular after a nitrogen purging process in an anode circuit of the Fuel cell device in which an anode exhaust gas and a feedable fuel gas circulate as a common fluid mixture; wherein, by means of the first sensor unit and the third sensor unit, a local concentration of nitrogen in the fluid mixture within the measurement flow channel, which is formed as a section of the anode circuit, is measured relative to the fuel gas as the reference fluid in the reference flow channel; and by means of the second sensor unit and the fourth sensor unit, a local concentration of nitrogen in the fluid mixture is measured downstream and in relation to the diameter of the flow cross section of the anode circuit at a different position than that of the first sensor unit and / or the third sensor unit; wherein the time evaluation unit monitors the correlations between a respective course of the output values from the sensor units and detects a time interval of correlations, and the mixing of the nitrogen in the fluid mixture based on recorded time intervals of the correlations between the first sensor unit (31) and the third sensor unit and between the second sensor unit and the fourth sensor unit in relation to a distance of the respective sensor units along a diameter of the flow cross section, as well as recorded time intervals of the correlations between the first sensor unit and the second sensor unit and between the third sensor unit and the fourth sensor unit in relation to a distance of the respective sensor units along a circulation route.
[0027] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfin-Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. The features mentioned in the claims and in the description can be invented individually or in any combination.
dungswesentlich sein. Es zeigen schematisch: be essential. It shows schematically:
[0028] Fig. 1A eine schematische Darstellung der Strömungsmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, an der zwei in Strömungsrichtung beabstandet lokale Konzentrationsmessungen vorgenommen werden; 1A shows a schematic representation of the flow measuring device according to an embodiment of the invention, on which two local concentration measurements spaced apart in the flow direction are carried out;
[0029] Fig. 1B ein Diagramm, das einen Verlauf von Ausgabewerten einer elektrischen Spannung aus den Sensoreinheiten aus Fig. 1A in Reaktion auf eine gemessene Konzentrationsschwankung eines durchströmenden Fluidgemisches zeigt; 1B is a diagram showing a curve of output values of an electrical voltage from the sensor units from FIG. 1A in response to a measured concentration fluctuation of a fluid mixture flowing through;
[0030] Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer idealisierten Fluiddynamik eines strömenden Gasgemisches, infolge einer Reibung an Wänden eines Strömungsdurchmessers; 2 is a perspective view of idealized fluid dynamics of a flowing gas mixture as a result of friction on walls of a flow diameter;
[0031] Fig. 3 eine schematische Darstellung zum Verständnis einer Abhängigkeit der Messwerte von einer zentraleren oder weniger zentralen Sensorposition in Bezug auf einen Durchmesser des Strömungsquerschnitts; 3 shows a schematic representation for understanding a dependence of the measured values on a more central or less central sensor position in relation to a diameter of the flow cross section;
[0032] Fig. 4A eine schematische Darstellung der Strömungsmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, an der vier lokale Konzentrationsmessungen vorgenommen werden, die sowohl in Strömungsrichtung als auch in Richtung des Durchmessers des Strömungsquerschnitts voneinander beabstandet sind; 4A shows a schematic representation of the flow measuring device according to an embodiment of the invention, on which four local concentration measurements are made, which are spaced apart from one another in both the flow direction and in the direction of the diameter of the flow cross section;
[0033] Fig. 4B ein Diagramm, das einen Verlauf von Ausgabewerten einer elektrischen Spannung aus den Sensoreinheiten aus Fig. 4A in Reaktion auf eine gemessene Konzentrationsschwankung eines durchströmenden Fluidgemisches zeigt; 4B is a diagram showing a curve of output values of an electrical voltage from the sensor units from FIG. 4A in response to a measured concentration fluctuation of a fluid mixture flowing through;
[0034] Fig. 5 eine schematische Darstellung der Strömungsmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, an der sechs lokale Konzentrationsmessungen vorgenommen werden, wobei an einem Referenz-Strömungskanal Sensoreinheiten an gleicher Position bezüglich der Strömungsrichtung und zur Richtung des Durchmessers des Strömungsquerschnitts versetzt angeordnet sind; 5 shows a schematic representation of the flow measuring device according to an embodiment of the invention, on which six local concentration measurements are carried out, with sensor units being arranged offset on a reference flow channel at the same position with respect to the flow direction and to the direction of the diameter of the flow cross section;
[0035] Fig. 6 eine schematische Darstellung der Strömungsmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, an der acht lokale Konzentrationsmessungen vorgenommen werden, wobei ein Referenz-Strömungskanal und die daran angeordneten Sensoreinheiten bezüglich einer Neigung zur der Strömungsrichtung und/oder einer Position in Richtung des Durchmessers des Strömungsquerschnitts schwenkbar und/oder gelagert und einstellbar ist; und 6 shows a schematic representation of the flow measuring device according to an embodiment of the invention, on which eight local concentration measurements are carried out, with a reference flow channel and the sensor units arranged thereon with respect to an inclination towards the flow direction and/or a position in the direction of the diameter the flow cross section is pivotable and/or mounted and adjustable; and
[0036] Fig. 7 eine schematische Darstellung der Strömungsmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit einer koaxialen bzw. konzentrischen Anordnung von Sensoreinheiten in einem runden Strömungsquerschnitt. 7 shows a schematic representation of the flow measuring device according to an embodiment of the invention with a coaxial or concentric arrangement of sensor units in a round flow cross section.
[0037] Figur 1A zeigt eine Strömungsmessvorrichtung 100 mit einem Mess-Strömungskanal 20, durch den ein Fluidgemisch M strömt, an dem Messungen vorgenommen werden sollen. Direkt benachbart zu einer Wand des Mess-Strömungskanal 20 ist ein Referenz-Strömungskanal 10 angeordnet, in dem ein Referenzfluid R eingeschlossen oder strömend bereitgestellt ist. Zwischen dem Referenz-Strömungskanal 10 und dem Mess-Strömungskanal 20 sind Öffnungen für eine erste Sensoreinheit 31 und eine zweite Sensoreinheit 32 vorgesehen, sodass diese sowohl mit dem Referenzfluid R als auch mit dem Fluidgemisch M in Kontakt gelangen. 1A shows a flow measuring device 100 with a measuring flow channel 20 through which a fluid mixture M flows, on which measurements are to be made. Directly adjacent to a wall of the measuring flow channel 20 is a reference flow channel 10, in which a reference fluid R is enclosed or provided flowing. Openings for a first sensor unit 31 and a second sensor unit 32 are provided between the reference flow channel 10 and the measuring flow channel 20, so that they come into contact with both the reference fluid R and the fluid mixture M.
[0038] Jede der beiden Sensoreinheiten 31, 32 weist eine Membran 50 auf, welche für Moleküle der betreffenden Fluide undurchlässig ist, jedoch für Protonen durchlässig bzw. permeabel ist, sodass diese effektiv als Ladungsträger durch die Membran 50 hindurch diffundieren können. Auf beiden gegenüberliegenden Seiten jeder Membran 50 ist eine Elektrode 60 angeordnet, die einerseits mit der Membran 50 und andererseits mit dem Referenzfluid R oder dem Fluidgemisch M in Kontakt steht. Wenn sich die Konzentration eines spezifischen Fluids, wie zum Beispiel Wasserstoff, in dem Referenzfluid R von dem Fluidgemisch M unterscheidet, entsteht an der Membran 50 ein Partialdruck, unter dem Protonen aus demjenigen Fluid mit der höheren Konzentration, insbesondere dem Referenzfluid R, durch die Membran 50 zu dem anderen Fluid mit Each of the two sensor units 31, 32 has a membrane 50 which is impermeable to molecules of the relevant fluids, but is permeable or permeable to protons, so that these can effectively diffuse through the membrane 50 as charge carriers. An electrode 60 is arranged on both opposite sides of each membrane 50, which is in contact with the membrane 50 on the one hand and with the reference fluid R or the fluid mixture M on the other hand. If the concentration of a specific fluid, such as hydrogen, in the reference fluid R differs from the fluid mixture M, a partial pressure arises at the membrane 50 under which protons from the fluid with the higher concentration, in particular the reference fluid R, pass through the membrane 50 to the other fluid
der geringeren Konzentration, insbesondere dem Fluidgemisch M diffundieren. Dabei bildet sich zwischen den beiden Seiten der Membran 50 eine elektrische Spannung aus, welche über die beiden Elektroden 60 abgegriffen werden kann. Eine Spannung zwischen den Elektroden 60 korreliert mit einer Konzentrationsdifferenz zwischen den betreffenden Fluiden bzw. mit einer Konzentration des spezifischen Fluids in dem Fluidgemisch in Bezug zu dem Referenzfluid, das eine bekannte Konzentration bzw. eine konstante Konzentration in einem erwartungsgemäßen Konzentrationsbereich aufweist. the lower concentration, in particular the fluid mixture M, diffuse. An electrical voltage is formed between the two sides of the membrane 50, which can be tapped via the two electrodes 60. A voltage between the electrodes 60 correlates with a concentration difference between the relevant fluids or with a concentration of the specific fluid in the fluid mixture in relation to the reference fluid which has a known concentration or a constant concentration in an expected concentration range.
[0039] Eine erste Messeinheit 41 und eine zweite Messeinheit 42 sind als Spannungsmesser ausgebildet, welche die auftretende Spannung zwischen den beiden Elektroden 60 zu beiden Seiten der Membran 50 an der ersten Sensoreinheit 31 bzw. der zweiten Sensoreinheit 32 messen. Die Messdaten, die aus den Messeinheiten 41, 42 entstehen, werden einer Zeitauswertungseinheit (nicht dargestellt) zur Datenverarbeitung im Sinne einer Überwachung und Ermittlung von konzentrationsbasiert erfassten Strömungsparametern zugeführt. A first measuring unit 41 and a second measuring unit 42 are designed as voltmeters, which measure the voltage occurring between the two electrodes 60 on both sides of the membrane 50 on the first sensor unit 31 and the second sensor unit 32, respectively. The measurement data that arise from the measuring units 41, 42 are fed to a time evaluation unit (not shown) for data processing in the sense of monitoring and determining concentration-based flow parameters.
[0040] In einem Anwendungsbeispiel wird die Strömungsmessungsvorrichtung 100 in einem Brennstoffzellensystem (nicht dargestellt) eingesetzt, um beispielsweise eine Strömungsgeschwindigkeit eines Fluidgemischs in einem Anodenkreislauf des Brennstoffzellensystems zu messen. Dazu werden lokale Konzentrationen von Wasserstoff in dem zirkulierenden Fluidgemisch in Strömungsrichtung beabstandet oder an unterschiedlichen Abschnitten des Brennstoffzellensystems erfasst. Das Fluidgemisch M in dem Anodenkreislauf des Brennstoffzellensystems besteht unter anderem aus einem Anodenabgas, das aus einem Anodenabschnitt von Brennstoffzellen austritt, und welches neben einem unverbrauchten Anteil von Wasserstoff auch Feuchtigkeit umfasst, weshalb dieses in der vorliegenden Offenbarung zutreffender als ein Fluid bezeichnet wird. Ferner umfasst das Fluidgemisch M eine zu dosierende Menge an Brennstoffgas, das aus einem Tank in den Anodenkreislauf zugeführt wird. Das zugeführte Brennstoffgas weist eine hohe Konzentration von Wasserstoff oder im Wesentlichen reinen Wasserstoff auf. Das Brennstoffgas wird auch als das Referenzfluid R verwendet, welches in den Referenz-Strömungskanal 10 eingeleitet wird. Der Mess-Strömungskanal 20 steht mit einem Abschnitt des Anodenkreislaufs in Verbindung, oder ist als ein Abschnitt desselben ausgebildet. In an application example, the flow measuring device 100 is used in a fuel cell system (not shown), for example to measure a flow velocity of a fluid mixture in an anode circuit of the fuel cell system. For this purpose, local concentrations of hydrogen in the circulating fluid mixture are spaced apart in the flow direction or recorded at different sections of the fuel cell system. The fluid mixture M in the anode circuit of the fuel cell system consists, among other things, of an anode exhaust gas that emerges from an anode section of fuel cells and which, in addition to an unused portion of hydrogen, also includes moisture, which is why this is more accurately referred to as a fluid in the present disclosure. Furthermore, the fluid mixture M comprises an amount of fuel gas to be metered, which is supplied from a tank into the anode circuit. The supplied fuel gas has a high concentration of hydrogen or essentially pure hydrogen. The fuel gas is also used as the reference fluid R, which is introduced into the reference flow channel 10. The measuring flow channel 20 is connected to a section of the anode circuit, or is designed as a section thereof.
[0041] Wie in dem Diagramm aus Fig. 1B gezeigt ist, wird ein in dem Mess-Strömungskanal 20 von links nach rechts wandernder Volumenanteil des zirkulierenden Fluidgemisches M, der eine lokale Konzentrationsabweichung aufweist, beim Durchströmen des Mess-Strömungskanals 20 in Form von aufeinanderfolgenden, charakteristischen Schwankungen lokal erfasster Wasserstoffkonzentrationen von gleicher Größenordnung und gleichem Profil messbar. Dabei werden die charakteristischen Schwankungen zuerst an der ersten Sensoreinheit 31 und danach an der zweiten Sensoreinheit 32 erfasst. Ein Zeitabstand At zwischen solchen korrelierenden Schwankungen der Ausgabewerte X1 und X2 bzw. einer ausgegebenen Spannung der ersten Sensoreinheit 31 und der zweiten Sensoreinheit 32 dient im Verhältnis zu einem bekannten Abstand der betreffenden Sensoreinheiten 31, 32 entlang einer Zirkulationsstrecke S des Fluidgemischs M zur Ermittlung einer Strömungsgeschwindigkeit des Fluidgemischs M. 1B, a volume fraction of the circulating fluid mixture M, which migrates from left to right in the measuring flow channel 20 and has a local concentration deviation, is expressed as it flows through the measuring flow channel 20 in the form of successive , characteristic fluctuations of locally recorded hydrogen concentrations of the same magnitude and the same profile can be measured. The characteristic fluctuations are first detected at the first sensor unit 31 and then at the second sensor unit 32. A time interval At between such correlated fluctuations of the output values X1 and of the fluid mixture M.
[0042] Fig. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung einer idealisierten Fluiddynamik eines strömenden Gasgemisches, wobei infolge einer Reibung an Wänden eines Strömungsdurchmessers eine parabolisch dargestellte Ausbreitungsgrenze bzw. eine schnellere Strömungsgeschwindigkeit in einem zentralen Bereich als in einem äußeren Bereich des Strömungsquerschnitts zu erwarten ist. Basierend auf dieser Erkenntnis verhält sich auch eine theoretische bzw. idealisierte Grenze eines messbaren Konzentrationsunterschieds AC zwischen zwei inhomogenen Volumenanteilen eines gemeinsamen, von links nach rechts zirkulierenden Gas- oder Fluidgemischs. Demnach ist es für die Genauigkeit oder auch für die Erlangung weiterer strömungsbezogener Informationen von Bedeutung, an welcher Position sich die Sensoreinheiten in Bezug auf einen Strömungsquerschnitt untereinander befinden, wie anhand von Fig. 3 dargestellt ist. 2 shows a perspective representation of an idealized fluid dynamics of a flowing gas mixture, whereby a parabolic propagation limit or a faster flow velocity is to be expected in a central region than in an outer region of the flow cross section as a result of friction on walls of a flow diameter. Based on this knowledge, there is also a theoretical or idealized limit of a measurable concentration difference AC between two inhomogeneous volume fractions of a common gas or fluid mixture circulating from left to right. Accordingly, for the accuracy or for obtaining further flow-related information, it is important at which position the sensor units are located relative to a flow cross section, as shown in FIG. 3.
[0043] Fig. 4A zeigt schematisch eine Ausführungsform der Strömungsmessvorrichtung 100, die der vorhergehenden Erkenntnis Rechnung trägt. Hierbei sind neben der ersten Sensoreinheit 31 und der zweiten Sensoreinheit 32 auf gleicher Höhe der Strömungsrichtung bzw. Zirkulationsstre-4A shows schematically an embodiment of the flow measuring device 100, which takes the previous finding into account. In addition to the first sensor unit 31 and the second sensor unit 32, the direction of flow or circulation flow is at the same level.
cke S jeweils eine dritte Sensoreinheit 33 und eine vierte Sensoreinheit 34 in einer zentraleren Lage bezüglich des Durchmessers D des Strömungsquerschnitts angeordnet. So können an unterschiedlichen Querschnittspositionen lokale Konzentrationsmessungen vorgenommen werden, welche Aufschluss über das Strömungsverhalten von lokalen Volumina mit unterschiedlicher Konzentration eines spezifischen Gases oder Fluides, oder auch das Strömungsverhalten des gemeinsamen, zirkulierenden Gas- oder Fluidgemischs zulassen. cke S each have a third sensor unit 33 and a fourth sensor unit 34 arranged in a more central position with respect to the diameter D of the flow cross section. Local concentration measurements can be carried out at different cross-sectional positions, which provide information about the flow behavior of local volumes with different concentrations of a specific gas or fluid, or also the flow behavior of the common, circulating gas or fluid mixture.
[0044] Zur Bestimmung weiterer Strömungseigenschaften, bei denen eine Ausbreitung oder ein Profil einer Geschwindigkeitsverteilung im Strömungsquerschnitt mit zu berücksichtigen ist, wird von der Strömungsmessvorrichtung 100 in Fig. 4A zusätzlich zu der zuvor genannten Erfassung von Konzentrationsschwankungen entlang der Zirkulationsstrecke S durch den Mess-Strömungskanal 20 auch eine Erfassung von Konzentrationsschwankungen entlang einer Richtung des Durchmessers D des Strömungsquerschnitts für eine weitere Auswertung von Messdaten zur Verfügung gestellt. To determine further flow properties, in which a spread or a profile of a velocity distribution in the flow cross-section must be taken into account, the flow measuring device 100 in FIG. 4A, in addition to the previously mentioned detection of concentration fluctuations along the circulation path S through the measuring flow channel 20 also provides a detection of concentration fluctuations along a direction of the diameter D of the flow cross section for further evaluation of measurement data.
[0045] Wie in dem Diagramm aus Fig. 4B gezeigt ist, wird ein in dem Mess-Strömungskanal 20 von links nach rechts wandernder Volumenanteil des zirkulierenden Fluidgemisches M, der eine lokale Konzentrationsabweichung AC aufweist, beim Durchströmen des Mess-Strömungskanals 20 durch aufeinanderfolgende, charakteristische Schwankungen lokal erfasster Wasserstoffkonzentrationen anhand der Ausgabewerte X1, X2, X3, X4 der vier Sensoreinheiten 31, 32, 33, 34 erfasst. Die von dieser Ausführungsform der Strömungsmessvorrichtung 100 ausgegebenen Verläufe korrelieren sowohl in Zeitabständen At/S in Bezug auf die Strömungsgeschwindigkeit entlang der Strömungsrichtung bzw. Zirkulationsstrecke S als auch, senkrecht dazu Betrachtet, in Zeitabständen At/D in Bezug auf die Richtung des Durchmessers D des Strömungsquerschnitts. 4B, a volume fraction of the circulating fluid mixture M that migrates from left to right in the measuring flow channel 20 and has a local concentration deviation AC is changed when flowing through the measuring flow channel 20 by successive, characteristic fluctuations of locally detected hydrogen concentrations are recorded based on the output values X1, X2, X3, X4 of the four sensor units 31, 32, 33, 34. The curves output by this embodiment of the flow measuring device 100 correlate both at time intervals At/S with respect to the flow velocity along the flow direction or circulation path S and, viewed perpendicularly thereto, at time intervals At/D with respect to the direction of the diameter D of the flow cross section .
[0046] Je nach Anwendung an einem Endprodukt wie einem Brennstoffzellensystem oder zur Produktentwicklung in einem Laborbetrieb auf einem Prüfstand, können in der Strömung smessvorrichtung 100 auch mehr Sensoreinheiten in abgestuften Positionen zu relevanten Strömungsbereichen vorgesehen sein, wodurch eine Auflösung an Messdaten erhöht wird, und die Möglichkeiten an komplexeren Auswertungen zur Bestimmung weiterer Strömungsparameter, einer Strömungseigenschaft wie der Reynoldszahl, oder einem Maß der Durchmischung des Fluidgemischs M erweitert wird. [0046] Depending on the application on an end product such as a fuel cell system or for product development in a laboratory on a test stand, more sensor units can also be provided in the flow measuring device 100 in stepped positions in relevant flow areas, thereby increasing the resolution of measurement data, and the The possibilities for more complex evaluations to determine additional flow parameters, a flow property such as the Reynolds number, or a degree of mixing of the fluid mixture M are expanded.
[0047] Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform der Strömungsmessvorrichtung 100 mit sechs Sensoreinheiten 31, 32, 33A, 33B, 34A, 34B, wobei an demselben Referenz-Strömungskanal 10 in einer zentralen Position zum Strömungsquerschnitt jeweils benachbarte Sensoreinheiten 33A, 33B und 34A, 34B an gleicher Position bezüglich der Strömungsrichtung S an unterschiedlichen Seiten des Referenz-Strömungskanals 10, und somit versetzt zur Richtung des Durchmessers D des Strömungsquerschnitts, angeordnet sind. Diese Ausführungsform zeigt, dass nicht zwangsweise für jede Position von Sensoreinheiten 33B, 34B in Bezug auf den Strömungsquerschnitt jeweils ein weiterer eigener Referenz-Strömungskanals 10 zum Kontakt des Referenzfluids R mit den Sensoreinheiten 33B, 34B erforderlich ist, sondern bei entsprechender Ausgestaltung und Anordnung der Sensoreinheiten 33B, 34B konstruktive Einsparungen an einer Leitungsstruktur der Referenz-Strömungskänale 10 realisiert werden können. 5 shows an embodiment of the flow measuring device 100 with six sensor units 31, 32, 33A, 33B, 34A, 34B, with adjacent sensor units 33A, 33B and 34A, 34B on the same reference flow channel 10 in a central position to the flow cross section are arranged at the same position with respect to the flow direction S on different sides of the reference flow channel 10, and thus offset from the direction of the diameter D of the flow cross section. This embodiment shows that a further separate reference flow channel 10 for contact of the reference fluid R with the sensor units 33B, 34B is not necessarily required for each position of sensor units 33B, 34B with respect to the flow cross section, but rather with a corresponding design and arrangement of the sensor units 33B, 34B constructive savings can be realized on a line structure of the reference flow channels 10.
[0048] Für komplexere Messaufbauten sieht eine Ausführungsform der der Strömungsmessvorrichtung 100 aus Fig. 6 eine Konstruktion vor, bei der einer der Referenz-Strömungskänale 10 beweglich, insbesondere schwenkbar in Bezug zur Strömungsrichtung bzw. Zirkulationsrichtung S und/oder auch verschiebbar in Bezug zum Durchmesser D des Strömungsquerschnitts an einer Wand des Mess-Strömungskanals 20 gelagert ist. Darüber hinaus weist der betreffende Referenz-Strömungskanal 10 jeweils drei gegenüberliegend angeordnete Sensoreinheiten 33A, 33B, 34A, 34B, 35A, 35B auf, welche die auswertbare Messinformationsdichte zu lokal erfassten Konzentrationen eines spezifischen Fluids erhöhen. Insbesondere unter Erfassung und Berücksichtigung eines weiteren Positionsparameters entlang eines Schwenkwinkels oder einer Positionsverschiebung zusammen mit den Messdaten stellt diese Ausführungsform nochmals weitere auswertbare Informationen für Rückschlüsse auf eine Fluiddynamik des untersuchten Fluidgemisches M zur Verfügung. For more complex measurement setups, an embodiment of the flow measuring device 100 from FIG. 6 provides a construction in which one of the reference flow channels 10 is movable, in particular pivotable in relation to the flow direction or circulation direction S and/or also displaceable in relation to the diameter D of the flow cross section is mounted on a wall of the measuring flow channel 20. In addition, the reference flow channel 10 in question has three oppositely arranged sensor units 33A, 33B, 34A, 34B, 35A, 35B, which increase the evaluable measurement information density for locally recorded concentrations of a specific fluid. In particular, by detecting and taking into account a further position parameter along a pivot angle or a position shift together with the measurement data, this embodiment provides further evaluable information for drawing conclusions about the fluid dynamics of the fluid mixture M being examined.
[0049] Fig. 7 zeigt eine weitere strömungsoptimierte Ausführungsform der Strömungsmessvorrichtung 100, welche sich insbesondere für kreisrunde Strömungsquerschnitte des Mess-Strömungskanals 20 eignet. Dabei sind eine erste Sensoreinheit 31 und eine zweite Sensoreinheit 32 in einer Wand des Mess-Strömungskanals 20 angeordnet, wobei der zugeordnete ReferenzStrömungskanal 10 außerhalb davon eine die Wand umströmende Zuführung des Referenzfluids R bereitstellt. Die dritte Sensoreinheit 33 und die vierte Sensoreinheit 34 sind hingegen an AuBenseiten und Innenseiten von ringförmigen Referenz-Strömungskanälen 10 angeordnet, die koaxial zueinander bzw. konzentrisch zu dem Strömungsquerschnitt angeordnet sind. 7 shows a further flow-optimized embodiment of the flow measuring device 100, which is particularly suitable for circular flow cross sections of the measuring flow channel 20. A first sensor unit 31 and a second sensor unit 32 are arranged in a wall of the measuring flow channel 20, with the assigned reference flow channel 10 outside thereof providing a supply of the reference fluid R flowing around the wall. The third sensor unit 33 and the fourth sensor unit 34, on the other hand, are arranged on the outside and inside of annular reference flow channels 10, which are arranged coaxially to one another or concentric to the flow cross section.
[0050] Bei dem Anwendungsbeispiel an einem Brennstoffzellensystem kann die Strömungsmessungsvorrichtung 100 vergleichsweise einen Konzentrationsunterschied eines spezifschen Fluids wie z.B. Wasserstoff zwischen dem Referenzfluid R, das z.B. als das Brennstoffgas bereitgestellt ist, und dem Fluidgemisch M, welches das zirkulierende Fluidgemisch in einem bestimmten Abschnitt des Anodenkreislaufs ist, messen. Anderenfalls kann die Strömungsmessungsvorrichtung 100 vergleichsweise einen Konzentrationsunterschied eines spezifschen Fluids wie z.B. Sauerstoff oder Stickstoff zwischen dem Referenzfluid R, das z.B. als Luftsauerstoff bzw. Stickstoffgas, das zur Spülfunktion bereitgestellt wird, messen. Alternativ kann das Referenzfluid R auch als reines Sauerstoffgas bereitgestellt sein, insbesondere unter Laborbedingungen bzw. in einem Prüfstandbetrieb, wobei die vergleichsweise Konzentrationsmessung umso genauer ist, je höher die Konzentration des spezifischen Fluids bzw. Sauerstoffs in dem Referenzfluid R ist. In the application example on a fuel cell system, the flow measuring device 100 can compare a concentration difference of a specific fluid such as hydrogen between the reference fluid R, which is provided as the fuel gas, for example, and the fluid mixture M, which is the circulating fluid mixture in a specific section of the anode circuit is, measure. Otherwise, the flow measuring device 100 can comparatively measure a concentration difference of a specific fluid such as oxygen or nitrogen between the reference fluid R, which is, for example, atmospheric oxygen or nitrogen gas provided for the purging function. Alternatively, the reference fluid R can also be provided as pure oxygen gas, in particular under laboratory conditions or in a test stand operation, the comparative concentration measurement being more precise the higher the concentration of the specific fluid or oxygen in the reference fluid R.
[0051] Ferner kann beispielsweise durch die Strömungsmessungsvorrichtung 100 nach einem Spülvorgang des Anodenkreislaufs mit Stickstoff eine Ausbreitung und Durchmischung desselben bestimmt werden. Basierend auf diesen Informationen kann eine Steuerung des Betriebs während und nach dem Spülvorgang optimiert werden, wobei eine zu hohe Stickstoffkonzentration an der Anode verhindert und eine Wiederherstellung von Betriebskonzentrationen des Wasserstoffs sichergestellt werden kann. Dabei hängt die Funktionalität der Strömungsmessungsvorrichtung 100 in Bezug auf Stickstoff von der Temperatur ab, sodass sich eine derartige Bestimmung einer Stickstoffkonzentration bevorzugt für eine Brennstoffzelle vom SOFC Typ mit hohen Betriebstemperaturen im Anodenkreislauf eignet. [0051] Furthermore, for example, the flow measuring device 100 can be used to determine the spread and mixing of the anode circuit after a flushing process with nitrogen. Based on this information, control of operation during and after the purge process can be optimized, preventing excessive nitrogen concentration at the anode and ensuring restoration of operating hydrogen concentrations. The functionality of the flow measuring device 100 with regard to nitrogen depends on the temperature, so that such a determination of a nitrogen concentration is preferably suitable for a fuel cell of the SOFC type with high operating temperatures in the anode circuit.
[0052] Für Brennstoffzellen vom PEM Typ lassen sich die Konzentrationsmessungsvorrichtung 100 oder die Konzentrationsmessungsvorrichtung 200 auch durch indirekte Messmethodik bzw. nach einem Ausschlusskriterium nutzen, wobei alle Bestandteile im Anodenkreislauf, die nicht Wasser, Wasserstoff oder Sauerstoff sind, als der verbleibende Bestandteil an Stickstoff erfasst werden. For PEM type fuel cells, the concentration measuring device 100 or the concentration measuring device 200 can also be used by indirect measurement methodology or according to an exclusion criterion, whereby all components in the anode circuit that are not water, hydrogen or oxygen are recorded as the remaining nitrogen component become.
[0053] Die voranstehenden Erläuterungen der Ausführungsformen beschreiben die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. The above explanations of the embodiments describe the present invention exclusively in the context of examples. Of course, individual features of the embodiments can, if technically sensible, be freely combined with one another without departing from the scope of the present invention.
BEZUGSZEICHENLISTE REFERENCE SYMBOL LIST
10 Referenz-Strömungskanal 20 Mess-Strömungskanal 31 erste Sensoreinheit 32 zweite Sensoreinheit 33 dritte Sensoreinheit 34 vierte Sensoreinheit 35 fünfte Sensoreinheit 41 erste Messeinheit 10 reference flow channel 20 measuring flow channel 31 first sensor unit 32 second sensor unit 33 third sensor unit 34 fourth sensor unit 35 fifth sensor unit 41 first measuring unit
42 zweite Messeinheit 42 second measurement unit
43 dritte Messeinheit 43 third measurement unit
44 vierte Messeinheit 44 fourth measurement unit
45 fünfte Messeinheit 45 fifth measurement unit
50 Membran 50 membrane
60 Elektrode 60 electrode
100 Strömungsmessvorrichtung 100 flow measuring device
M Fluidgemisch M fluid mixture
R Referenzfluid D Durchmesser S Zirkulationsstrecke R reference fluid D diameter S circulation route
AC Konzentrationsunterschied AC concentration difference
U Spannung zwischen Elektroden U voltage between electrodes
t Zeit t time
At Zeitabstand At time interval
X1 Ausgabewert erste Sensoreinheit X2 Ausgabewert zweite Sensoreinheit X3 Ausgabewert dritte Sensoreinheit X4 Ausgabewert vierte Sensoreinheit r Radius X1 Output value of the first sensor unit X2 Output value of the second sensor unit X3 Output value of the third sensor unit X4 Output value of the fourth sensor unit r Radius
zZ Strömungsrichtung currently flow direction
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